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        光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

        作者: 時間:2012-01-16 來源:網絡 收藏

          發電系統中電池的輸出特性具有唯一的最大功率點(MPP),需要對電池的最大功率點進行跟蹤(MPPT)。文中分析了幾種常見的最大功率點跟蹤控制方法,對比分析了它們的優缺點。針對MPPT控制方法中存在的啟動特性較差、跟蹤過程不穩定、精度不高等特點,采用一種改進爬山法,該法以恒定電壓法作為啟動特性及采用變步長進行跟蹤控制,并利用Matlab/Simulink搭建了改進爬山法的MPPT控制模型,仿真結果驗證該方法的有效性。

          面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態環境,人類需要進行第三次能源結構轉換,從礦物能源向可再生能源轉換,用可再生能源替代礦物能源,用無碳能源、低碳能源替代高碳能源。為降低對傳統能源的依賴,世界對新型能源的重視越來越高。太陽能是最具潛能的新能源形式之一,其中光伏發電是太陽能利用的有效方式之一。光伏發電具有許多優點,如:安全可靠,無噪聲,無污染,能量隨處可得,無需消耗燃料,不受地域限制,規模大小隨意,無需架設輸電線路,可以方便地與建筑物相結合等,這些優點都是常規發電和其他發電方式所不可比擬的。在光伏發電系統中,要提高系統的整體效率,達到充分利用太陽能資源的目的,一個重要的途徑就是實時調節的工作點,使之工作在最大功率點附近,這一過程就稱為最大功率點跟蹤。

          1 光伏電池模型及輸出特性

          1.1 光伏電池的數學模型

          在光照強度和環境溫度一定時,光伏電池既非恒壓源,也非恒流源,也不可能為負載提供任意大的功率,是一種非線性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中,UJ為PN結電壓,Id為光伏電池在無光照時的飽和電流,Id=Io{EU+IRS) nKT-1}。一個理想的,由于串聯電阻RS很小,旁路電阻Rsh很大,所以在進行理想電路的計算時,它們均可忽略不計。由圖1的太陽能光伏電池等效電路得出:I=Iph-I0[eq(U+IRS) nKT -1]- U+IR R s sh(1)式中,I為光伏電池輸出電流;I0為PN結的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷,q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數,k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學溫度;n為N結的曲線常數;Rs,Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

          光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

          圖1 光伏電池等效電路

          1.2 光伏電池電氣特性

          光伏電池的輸出特性主要通過I-U和P-U特性曲線來加以體現,如圖2所示。

          光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

          圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線

          從圖2中可以看出,光伏電池的輸出特性曲線與工作環境的光照、溫度等因素有著密切的關系,且具有明顯的非線性特性,在一定的光照及溫度條件下,電池具有唯一的最大功率點,所以為了實現光伏發電系統的輸出功率的最大化,需要對光伏電池的輸出功率進行最大功率點跟蹤。

          2 MPPT控制方法的對比分析

          國內外研究MPPT的算法很多,比較成熟的有恒定電壓法、擾動觀測法/爬山法、電導增量法等。恒定電壓法(CVT)就是將光伏電壓固定在最大功率點附近,該控制方法簡單容易實現,初期投入少,系統工作電壓具有良好的穩定性,但是跟蹤精度差,忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響,測量開路電壓要求光伏陣列斷開負載后再測量,對外界條件的適應性差,環境變化時不能自動跟蹤到MPP,造成了能量損失。擾動觀測法(PO)和爬山法(Hill Climbing)都是通過不斷擾動光伏系統的工作點來尋找最大功率點的方向,該控制方法控制思路簡單,實現較為方便,跟蹤效率高,提高太陽能的利用效率,但是擾動觀測法或爬山法的步長是固定的,如果步長過小,就會導致光伏陣列長時間地停滯在低功率輸出區,如果步長過大,就會導致系統振蕩加劇,并且在日照強度變化時會產生誤判現象。電導增量法是通過調整工作點的電壓,使之逐步接近最大功率點電壓來實現最大功率點的跟蹤,該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點電壓的相對位置,能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點變化,控制效果好,穩定度高,但是該控制算法較復雜,對控制系統性能和傳感器精度要求較高,硬件實現難。除以上幾種常用的MPPT控制方法外,目前不斷出現一些較新、較實用的MPPT算法,如直線近似法、三點重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法,又在其基礎上進行了改進和創新,跟蹤精度有了進一步的提高。同時,以模糊控制法、神經網絡控制法等為代表的新算法的出現,也為最大功率點跟蹤控制技術的快速發展提供了堅實的數學基礎和理論依據。對于各種MPPT算法優缺點的比較分析如表1所示。由以上研究分析發現,每種MPPT控制方法各有其優缺點,在實際工作中需要綜合考慮,根據不同的環境采用不同的控制方法,既能提高利用效率又能縮小成本。

          表1 MPPT控制方法比較

          光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

          光伏發電系統中光伏電池的輸出特性具有唯一的最大功率點(MPP),需要對光伏電池的最大功率點進行跟蹤(MPPT)。文中分析了幾種常見的最大功率點跟蹤控制方法,對比分析了它們的優缺點。針對MPPT控制方法中存在的啟動特性較差、跟蹤過程不穩定、精度不高等特點,采用一種改進爬山法,該法以恒定電壓法作為啟動特性及采用變步長進行跟蹤控制,并利用Matlab/Simulink搭建了改進爬山法的MPPT控制模型,仿真結果驗證該方法的有效性。

          面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態環境,人類需要進行第三次能源結構轉換,從礦物能源向可再生能源轉換,用可再生能源替代礦物能源,用無碳能源、低碳能源替代高碳能源。為降低對傳統能源的依賴,世界對新型能源的重視越來越高。太陽能是最具潛能的新能源形式之一,其中光伏發電是太陽能利用的有效方式之一。光伏發電具有許多優點,如:安全可靠,無噪聲,無污染,能量隨處可得,無需消耗燃料,不受地域限制,規模大小隨意,無需架設輸電線路,可以方便地與建筑物相結合等,這些優點都是常規發電和其他發電方式所不可比擬的。在光伏發電系統中,要提高系統的整體效率,達到充分利用太陽能資源的目的,一個重要的途徑就是實時調節光伏電池的工作點,使之工作在最大功率點附近,這一過程就稱為最大功率點跟蹤。

          1 光伏電池模型及輸出特性

          1.1 光伏電池的數學模型

          在光照強度和環境溫度一定時,光伏電池既非恒壓源,也非恒流源,也不可能為負載提供任意大的功率,是一種非線性直流電源。其等效電路如圖1所示。圖1中,UJ為PN結電壓,Id為光伏電池在無光照時的飽和電流,Id=Io{EU+IRS) nKT-1}。一個理想的,由于串聯電阻RS很小,旁路電阻Rsh很大,所以在進行理想電路的計算時,它們均可忽略不計。由圖1的太陽能光伏電池等效電路得出:I=Iph-I0[eq(U+IRS) nKT -1]- U+IR R s sh(1)式中,I為光伏電池輸出電流;I0為PN結的反向飽和電流;Iph為光生電流;U為光伏電池輸出電壓;q為電子電荷,q=1.6伊10-19 C;k為波爾茲曼常數,k=1.38伊10-23 J/K;T為熱力學溫度;n為N結的曲線常數;Rs,Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

          光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

          圖1 光伏電池等效電路

          1.2 光伏電池電氣特性

          光伏電池的輸出特性主要通過I-U和P-U特性曲線來加以體現,如圖2所示。

          光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

          圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線

          從圖2中可以看出,光伏電池的輸出特性曲線與工作環境的光照、溫度等因素有著密切的關系,且具有明顯的非線性特性,在一定的光照及溫度條件下,電池具有唯一的最大功率點,所以為了實現光伏發電系統的輸出功率的最大化,需要對光伏電池的輸出功率進行最大功率點跟蹤。

          2 MPPT控制方法的對比分析

          國內外研究MPPT的算法很多,比較成熟的有恒定電壓法、擾動觀測法/爬山法、電導增量

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